常志喜

（中國電建華東勘測設(shè)計研究院浙江華東建設(shè)工程有限公司,浙江 杭州 310030）

引言

隨著城市的不斷擴(kuò)張,城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異,地理空間信息也變得異常復(fù)雜[1]。為了更好地滿足城市的規(guī)劃、建設(shè),管理城市的地理信息,需要不斷地更新城市地形圖,這離不開大量的基礎(chǔ)測繪工作[2],特別是大比例尺的測圖工作中,對測繪的精度和周期要求較高。在傳統(tǒng)的測繪方法中,大量的測繪方法應(yīng)用的測試設(shè)備主要集中在水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、移動基站RTK 和傳統(tǒng)的航空攝影,這些測試方法和測試手段往往需要耗費大量的勞動力進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下,成果產(chǎn)出周期較長,也顯得尤為不經(jīng)濟(jì)。近年來,消費級無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備的快速發(fā)展,搭載的攝像頭分辨率越來越高,測試功能也日益豐富,使得無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于地形測量、工程測繪、房地一體化測量、農(nóng)村土地確權(quán)等領(lǐng)域,具有高效率、重量輕、低成本、操作靈活、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等諸多優(yōu)點[3]。地面三維激光掃描作為無接觸的大比例尺測圖方法,本文選擇其作為無人機(jī)傾斜攝影成果的對比方法,以驗證無人機(jī)傾斜攝影在大比例城市基本地圖測繪中的可行性。

1 無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的測繪原理

1.1 無人機(jī)傾斜攝影的測繪原理 傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)是以正射影像為理論基礎(chǔ)的地理信息測繪方法,而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)則是伴隨著遙感技術(shù)的演變以及消費級無人機(jī)設(shè)備的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的一項新興技術(shù)[4],它通過在飛行平臺上搭載多個攝影傳感器設(shè)備,從多個角度對地形地物進(jìn)行影像采集,結(jié)合了正攝影像處理技術(shù)和傾斜影像處理技術(shù),以高斯卷積運算實現(xiàn)了影響的尺度變換,如公式（1）所示,依賴三維實景建模處理軟件對采集的三維影像數(shù)據(jù)以及像控點數(shù)據(jù)進(jìn)行人工輔助的空三加密處理,以完全準(zhǔn)確地重新構(gòu)建地形地物的三維影像。利用無人機(jī)傾斜攝影在城市大比例基本地形圖測繪中的應(yīng)用流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)攝影技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

式中：G（x,y,σ）為高斯函數(shù)；x、y 為平面坐標(biāo)；σ 為卷積變換尺度；L（x,y,σ）為尺度空間；I（x,y）為二維圖像。

1.2 地面三維激光掃描的測繪原理 地面三維激光掃描技術(shù)也是一種高新測繪技術(shù),能夠通過配備的LIDAR激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)實現(xiàn)非接觸的全景化高清三維彩色散點掃描[5]。掃描時,三維激光掃描儀器發(fā)射激光脈沖,測量光源與待測物體之間的垂直距離L,并旋轉(zhuǎn)水平馬達(dá)轉(zhuǎn)動裝置獲取各激光水平掃描角度α,另外,三維激光掃描儀器也可以旋轉(zhuǎn)垂直馬達(dá)轉(zhuǎn)動裝置獲得各激光垂直掃描角度β,依據(jù)幾何換算關(guān)系可以獲得待測物體任意點的三維坐標(biāo)值,換算方法如公式（2）所示[6]。

式中：x、y、z 為待測物體的三維空間坐標(biāo)值,m；α 為激光雷達(dá)水平掃描角度,°；β 為激光雷達(dá)垂直掃描角度,°；L 為激光雷達(dá)發(fā)射儀至待測物體表面點的直線距離。

2 工程測區(qū)基本情況

浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)位于城市東北角,受到工廠生產(chǎn)以及封閉式管理模式的影響,工業(yè)園區(qū)四周修筑有花壇隔離帶、圍墻以及大門,測繪人員無法對園區(qū)內(nèi)部進(jìn)行訪問。因此,傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀和移動基站GNSS-RTK 測繪方法的作業(yè)難度較大,不能夠達(dá)到測繪目的。測區(qū)范圍內(nèi)的地形相對平緩,道路和場地已硬化,整個園區(qū)呈規(guī)則的矩形,南北向長度約650 m,東西向?qū)挾燃s420 m,面積約273 000 m2。園區(qū)內(nèi)分布的地物主要有工業(yè)廠房、道路、花壇、大門、停車場和井蓋等,而園區(qū)外分布的地物主要有道路、建筑物等,成果需提供1:500 大比例尺地形圖。本文嘗試采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量成果的綜合對比分析。

無人機(jī)攝影測量設(shè)備為大疆精靈4RTK 智能航測無人機(jī),圖像三維處理軟件為Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件。無人機(jī)具備旋翼數(shù)量為6翅,槳葉類型為全碳纖折疊槳,起飛和降落方式為垂直起降,能夠?qū)崿F(xiàn)POS 輔助自動導(dǎo)航,搭載5 個傳感器鏡頭,鏡頭垂直焦距為20 mm,傾斜焦距為30 mm,無人機(jī)設(shè)備的軸距為1 200 mm,典型的飛行高度達(dá)到60 m～750 m,最大飛行高度為4 500 m,典型的巡航速度不超過10s-1,最大旋轉(zhuǎn)角度為250°/s,最大續(xù)航時間為30 min,衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS,影響位置精度≤±5 m,水平懸停精度為±1.5 m,可遙控距離為5km,遙控器工作頻率為2.4 GHz～2.483 GHz。由無人機(jī)相機(jī)配備的傳感器元件配置情況,可以計算得到攝影航高為750 m 時,對應(yīng)的的地面分辨率為0.2 m,攝影航高為560 m時,對應(yīng)的的地面分辨率為0.15 m,攝影航高為300 m 時,對應(yīng)的地面分辨率為0.08 m,攝影航高為185 m 時,對應(yīng)的的地面分辨率為0.05 m[7]。測繪時,無人機(jī)對園區(qū)的飛行時間約30 min,采集了正射影像350 張,傾斜影像620 張。

地面三維激光掃描測繪采用的是美國天寶公式（Trimble Inc.）高速三維激光掃描儀器Trimble X7,處理軟件為Trimble Perspective。掃描儀器置伺服驅(qū)動EDM,集多鏡頭影像、自動校準(zhǔn)、自動配準(zhǔn)技術(shù)和測繪級自動整平多項技術(shù)融于一體,激光波長為1 550 mm,激光轉(zhuǎn)速為200 線/s,視場為360°×282°,掃碼時間為2′34″,最大掃描速度為500 kHz,測距進(jìn)度為2 mm,單張照片的分辨率為3 840×2 746 像素,相機(jī)曝光間距15m[8]。測繪時,三維激光掃描對園區(qū)的掃描時長為1d,采集照片2 300 張。

3 無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的測繪結(jié)果分析

3.1 無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的圖像處理對比 基于無人機(jī)傾斜攝影采集的影像,利用Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件讀取圖像的可交換圖像文件格式（EXIF 格式）和POS 數(shù)據(jù)（BLH 格式）,人工設(shè)置坐標(biāo)系,將BLH 格式轉(zhuǎn)換成目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值x、y、z。依賴Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件的空三加密解算功能,對影像圖片進(jìn)行三維模型的重建,實現(xiàn)圖像從二維DOM域轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型,如圖1 所示。從圖中可以看出,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過軟件能夠任意獲取地形地物點的空間坐標(biāo)值,甚至可以提供TIF 格式的影像圖切片,為地形圖的利用提供良好的基礎(chǔ)。

地面三維激光掃描通過發(fā)射激光無接觸地獲取海量的點云數(shù)據(jù),如圖2a 所示,隨后利用Trimble Perspective 軟件對數(shù)據(jù)的完整性、點云的質(zhì)量進(jìn)行檢查,對不同測站不同方向掃描的數(shù)據(jù),軟件能夠?qū)崿F(xiàn)點源配準(zhǔn),將點云數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,通過點云拼接和點云數(shù)據(jù)濾波后,重構(gòu)三維影像,如圖2b 所示。從圖中可以看出,地面三維激光掃描得到圖片質(zhì)量與無人機(jī)傾斜攝影得到的圖片質(zhì)量一致,表明采用這兩種方法都應(yīng)用于大比例尺城市基本地形圖的測繪中,但是地面三維激光掃描技術(shù)需要耗費更多的外業(yè)時間,同時得到的云點數(shù)據(jù)量大,對設(shè)備內(nèi)存配置、運行速率和存儲空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時效性上無明顯優(yōu)勢。

圖2 地面三維激光掃描技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

3.2 無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的精度對比 表1為無人機(jī)攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測繪精度成果對比。從表中可以看出,兩種測繪方法得到的地物坐標(biāo)結(jié)果十分相近,坐標(biāo)x的誤差△x 最大值為0.076 5 m,最小值為0.014 5 m,平均值為0.042 8 m；坐標(biāo)y 的誤差△y 最大值為0.079 8 m,最小值為0.008 3 m,平均值為0.051 2 m。坐標(biāo)點的平面誤差△xy（計算公式如公式（3）所示）

表1 無人機(jī)攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測繪成果對比

坐標(biāo)點的平面誤差△xy 的最大值為0.105 6 m,最小值為0.023 3 m,平均值為0.070 4 m。

由以上分析表明,無論是坐標(biāo)x 的誤差△x 還是坐標(biāo)y 的誤差△y 還是坐標(biāo)點的平面誤差△xy,其最大值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5 m,因此滿足測繪成果規(guī)范的要求,無人機(jī)傾斜攝影在大比例尺城市基本地形圖測繪中具有適用性,解譯精度高。

4 結(jié)論

以浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)地形圖測繪為研究對象,采用無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式對園區(qū)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,分別采用專用軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)件,并對比兩者的解譯精度,得到以下幾個結(jié)論：（1） 無人機(jī)傾斜攝影可實現(xiàn)二維和三維模型的相互轉(zhuǎn)換,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過軟件能夠任意獲取地形地物點的空間坐標(biāo)值。（2） 地面三維激光掃描技術(shù)得到的云點數(shù)據(jù)量大,對設(shè)備內(nèi)存配置、運行速率和存儲空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時效性上無明顯優(yōu)勢。（3） 無人機(jī)傾斜攝影得到的平面誤差遠(yuǎn)小于0.5 m,滿足測繪成果規(guī)范的要求,在大比例尺城市基本地形圖測繪中具有適用性,解譯精度高。